-
Lauri Heikkilä
Kymen krematorion lämmöntalteenoton suunnittelu
Opinnäytetyö Energiatekniikan koulutus
2018
-
Tekijä/Tekijät
Tutkinto
Aika
Lauri Heikkilä Insinööri (AMK) Kesäkuu 2018
Opinnäytetyön nimi Kymen krematorion lämmöntalteenoton suunnittelu
49 sivua 3 liitesivua
Toimeksiantaja Kotka-Kymin seurakunta
Ohjaaja Lehtori Hannu Sarvelainen
Tiivistelmä Opinnäytetyön tavoitteena on suunnitella ja mitoittaa Kymen krematoriolle lämmön talteen-ottojärjestelmä, niin että työ voi toimia pohjana lämmön talteenottojärjestelmän suunnitte-luun ja kartoituksena energian säästöpotentiaalista. Järjestelmän päätavoitteena on alen-taa savukaasujen lämpötilaa. Tuhkausuunin savukaasuissa vapautuu ulkoilmaan ympäristölle haitallisia päästöjä, muun muassa raskasmetalleja sekä pienhiukkasia. Savukaasujen puhdistamiseksi, lämpötila on saatava 200 °C:een tai alle. Tämä on mahdollista lämmön talteenottolaitteistolla. Koska laitteisto täytyy rakentaa, on lämpöenergian hyödyntäminen järkevää jo pelkästään ener-giatehokkuuden näkökulmasta. Arvot laskuihin saatiin haastatteluista, mittaamalla ja keräämällä tietoa muista krematoriois-ta. Savukaasujen lämpötilaa ei saatu selvitettyä mittaamalla, sillä savukaasukanavansijainti esti mittausten suorittamisen. Laskennassa käytettiin vanhoja lokitietoja tuhkausuunin toi-minnasta sekä muiden krematorioiden lämmön talteenottolaitteistojen mitoituslämpötiloja. Opinnäytetyön tuloksena saatiin Kymen krematorion savukaasujen tehoille sopiva lämmön talteenottojärjestelmän mitoitettua. Mitoitus suoritettiin käyttämällä vanhan tuhkausuunin lokeja, sekä muiden krematorioiden mitoituslämpötiloja. Työn aikana kävi ilmi, ettei nykyi-seen savukaasukanavaan ole mahdollista mahduttaa tarpeeksi suurta lämmönsiirrintä. Lämmitysenergiassa saavutettu säästö riippuu siitä, kuinka suuri säiliö lämpöenergiavaras-toksi valitaan. Energiasäästöpotentiaali on 45–78 % vuotuisesta lämmitykseen kuluneesta energiasta. Tämä vastaa 150–261 MWh lämpöenergiaa tai 15,7–27,4 m3 kevyttä polttoöl-jyä. Opinnäytetyölle asetetut tavoitteet saavutettiin pääsääntöisesti. Opinnäytetyön tuloksia voi-daan käyttää suunniteltaessa lämmön talteenottojärjestelmän toteutusta Kymen krematori-olla ja arvioitaessa mahdollista takaisinmaksu aikaa investoinnille.
Asiasanat krematorio, lämmöntalteenotto, savukaasu, tuhkausuuni
-
Author (authors)
Degree
Time
Lauri Heikkilä
Bachelor of Enginee-ring
June 2018
Thesis Title Desingning Heat Recovery for Kymi Crematorium
49 pages 3 pages of appendices
Commissioned by Kotka-Kymin seurakunta
Supervisor Hannu Sarvelainen Senior Lecturer
Abstract The objective of the thesis was to design a heat recovery system for the Kymi Crematori-um. The thesis is supposed to act as a base for designing the heat recovery system and as an analysis of the energy saving potential. The main purpose for the heat recovery system is to lower the flue gas temperature to allow the use of flue gas scrubber. The flue gasses of cremator furnace release a lot of pollutants that are harmful to the envi-ronment and to the air, such as heavy metals and particulates. To remove these pollutants the temperature has to be lowered to 200 °C or under. It is possible to use heat recovery system to achieve this. From the energy saving perspective it is sensible to try to use this captured energy. The project was conducted by interviewing, measuring and gathering data. Because of the placement of the flue gas channel, measuring the flue gas temperatures was impossible. To get a value for the flue gas temperature, an old log was used as also the design tem-peratures of two crematoriums, where similar heat recovery systems were already in-stalled. The design calculations showed that it was not possible to fit a heat recovery system large enough, to the present flue gas channel. The calculations also showed that, with the heat recovery system it would be possible to save, depending on the size of the heat energy storage, 45–78 % of the heating energy that is currently used per year. This is equivalent of 150–261 MWh of energy or 15.7–27.4 m3 of light fuel oil. The thesis met its objectives. The results of this thesis can be used by the Kotka-Kymin seurakunta, to design a heat recovery system for Kymi Crematorium and to assess the re-payment term of the investment.
Keywords crematorium, crematory furnace, flue gas, heat recovery
-
SISÄLLYS
1 JOHDANTO .................................................................................................................. 8
2 KYMEN KREMATORION JA KAPPELIN NYKYTILANNE ............................................ 8
2.1 Espoon siunauskappelin krematorio ..................................................................... 10
2.2 Pyhän Ristin kappelin krematorio, Turku .............................................................. 12
3 TERMODYNAMIIKAN PÄÄSÄÄNNÖT ....................................................................... 13
3.1 Lämmönsiirron teoria ............................................................................................ 13
3.2 Johtuminen ........................................................................................................... 14
3.3 Konvektio .............................................................................................................. 14
3.4 Säteily ................................................................................................................... 15
4 LÄMMÖN TALTEENOTTOJÄRJESTELMÄN TOIMINTA JA KOMPONENTIT ........... 15
5 SELVITYSTYÖ JA DATAN KERÄÄMINEN ................................................................ 21
6 LÄMMÖNSIIRTIMEN MITOITUS ................................................................................ 25
6.1 Savukaasuvirran teho ........................................................................................... 27
6.2 Lämmönvaihtimen tehon mitoitus ......................................................................... 29
6.3 Tarvittava putkipinta-ala ........................................................................................ 30
6.4 Tarvittava putken kokonaispituus .......................................................................... 31
6.5 Savukaasun tiheyden laskeminen ........................................................................ 31
6.6 Savukaasujen virtaus ............................................................................................ 32
6.7 Putkirivien määrä ja pituus .................................................................................... 34
6.8 Putkikoon valinta ja vesipiirin mitoitus ................................................................... 36
6.9 Lämmönsiirtimen pituus ........................................................................................ 38
6.10 Energiansäästö ..................................................................................................... 39
7 TULOSTEN TARKASTELU ........................................................................................ 43
8 YHTEENVETO ........................................................................................................... 45
LÄHTEET ........................................................................................................................... 46
KUVALUETTELO .............................................................................................................. 47
-
LIITTEET
Liite 1. Pyhän Ristin kappelin LTO suunnitelma
Liite 2. Lämmönpysyvyys taulukko
Liite 3. Jäännösenergian laskentataulukko
-
Symboliluettelo
Akäy kanavan käytettävissä oleva pinta-ala [m2]
Aputki putken vaadittu pinta-ala [m2]
Asv savukaasujen tarvitsema pinta-ala [m2]
Avesiputki yhden putken veden virtauksen pinta-ala [m2]
Ayksi putki yhden putken virtauspinta-ala [m2]
Cp savukaasun ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg°C]
cp,vesi veden ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg°C]
D valitun putken ulkohalkaisija [m]
Detäisyys kieppien etäisyys toisistaan [m]
dtyö toimintapäivien lukumäärä [kpl]
hkanava savukaasukanavan korkeus [m]
hkäyttö tuhkausuunin käyttöaika päivässä [h/d]
hlämpö lämmönpysyvyys tunteina [h]
k kokonaislämmönsiirtymiskerroin [W/m2°C]
kkäyttöaste käyttöastekerroin [-]
ksv savukaasuissa tapahtunut lämpötilamuutos [-]
lkok tarvittava putken kokonaispituus [m]
llto lämmönvaihtimen pituus [m]
lrivi putkirivin pituus [m]
M kokonaiskosteus [%]
mihminen ihmisen massa [kg]
möljy öljyn massa [kg]
w savukaasun virtausnopeus [m/s]
Xputki putkirivien lukumäärä [kpl]
Xrivien väli putkirivien välinen etäisyys [m]
p paine [Pa]
Pjäännös veden ominaislämpökapasiteetti [kW]
Qei,varasto säästetty lämpöenergiapotentiaali ilman
varastointia [MWh]
Qjäännös jäännösenergia [MWh]
Qnet,d kuivan aineen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg]
Qnet,ihminen ihmisen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg]
Qnet,öljy öljyn tehollinen lämpöarvo [MJ/kg]
Qkoko,a kokonaisvuosienergiankulutus [MWh]
-
Qkok, jäännös kokonaisjäännösenergia [MWh]
Qsäiliö säiliön potentiaalinen energiamäärä [kWh]
Qtuhka savukaasuihin siirtynyt energia [MJ]
qm savukaasun massavirta [kg/s]
qm,putki yhden putken veden massavirta [kg/s]
qm,vesi veden massavirta [kg/s]
qv savukaasun tilavuusvirta [m3/s]
qv,putki yhden putken veden tilavuusvirta [m3/s]
R ilman kaasuvakio [J/kgK]
T savukaasun keskimääräinen jäähtymä [K]
Tennen savukaasujen lämpötila niiden tullessa
lämmönvaihtimelle [°C]
t tuhkaukseen kulunut aika [s]
Vsäiliö säiliön tilavuus [m3]
Öhinta öljyn hinta [€/MWh]
ΔT vedenlämpötilan muutos vaihtimessa [°C]
ΔT polttamisen aiheuttama lämpötilan muutos 20 °C:sta
750 °C:seen. [°C]
ΔTA virtojen lämpötilaero lämmönvaihtimen alkupäässä [°C]
ΔTB virtojen lämpötilaero lämmönvaihtimen loppupäässä [°C]
ΔTlog logaritminen lämpötilaero [°C]
ΔTlto lämmönsiirtimessä tapahtunut lämpötilan muutos [°C]
ΔTsäiliö säiliön lämpötilan muutos [°C]
∆x aineen paksuus [m]
ϕ savukaasun teho [kW]
ϕlto lämmönvaihtimen teho [MW]
ϕsv savukaasujen teho [MW]
ρsv savukaasun tiheys [kg/m3]
ρvesi,95°C veden vedentiheys 95 °C lämpötilassa [kg/m3]
-
8
1 JOHDANTO
Tämä opinnäytetyön tavoitteena on selvittää ja suunnitella lämmön talteenot-
tojärjestelmän toteutus Kymen krematorion tuhkausuunin savukaasuista Kot-
ka-Kymin seurakunnalle. Opinnäytetyössä suunnitellun järjestelmän päätarkoi-
tuksena on madaltaa savukaasujen lämpötilaa savukaasujen puhdistamisen
mahdollistamiseksi. Työ toteutetaan laskemalla mitoitusarvot selvitetyillä ja
mitatuilla arvoilla.
Työn toisena tavoitteena on selvittää saavutettavat säästöt silloin, kun järjes-
telmän keräämä lämpöenergia käytettäisiin paikallisesti hyödyksi Parikan kap-
pelin lämmityksessä.
Opinnäytetyössä tehdyn selvityksen ja mitoituksen avulla on Kotka-Kymin
seurakunnan mahdollista aloittaa laitteiston suunnittelu, sekä käyttää tietoja
apuna arvioitaessa järjestelmän rakentamisen kustannuksia ja mahdollisia
koituneita säästöjä.
Opinnäytetyössä kappaleessa kaksi selvitetään Kymen krematorion nykytilan-
ne sekä vastaavien järjestelmien toteutus muissa krematorioissa. Kappaleissa
kolme ja neljä käydään läpi termodynamiikan perusteita sekä lämmönsiirtimen
toimintaa ja komponentteja. Kappaleessa numero viisi selvitetään tehtyä esi-
selvitys työtä ja aineiston keräämistä. Kappaleessa kuusi lasketaan lämmön-
talteenotto laitteiston mitoittaminen, sekä lasketaan mahdollisesti saavutetta-
vat energian säästöt. Kappaleessa seitsemän käydään läpi laskennassa saa-
vutetut tulokset ja pohditaan järjestelmän hyödyllisyyttä.
2 KYMEN KREMATORION JA KAPPELIN NYKYTILANNE
Kymen krematorion nykytilanteessa, savukaasuille ei tehdä mitään. Savukaa-
suja ei suodateta ja lämpöä ei oteta talteen, vaan se johtuu ja siirtyy ulkoil-
maan. Tulevaisuudessa kiristyvät päästörajat edellyttävät savukaasujen puh-
distuslaitteistojen asentamista. Tämän seurauksena savukaasujen lämpötila
tulee laskea 200 °C:seen puhdistuslaitteistojen toiminnan mahdollistamiseksi.
Krematorio tuhkausuunin toiminta tuottaa huomattavia määriä lämpöä ja kos-
ka päästöjen vähentämiseksi savukaasujen lämpötilaa tulee kuitenkin joka
-
9
tapauksessa alentaa, niin on loogista yrittää hyödyntää savukaasujen lämpö-
energia.
Kuva 1. Parikan kappeli
Parikan kappelin (kuva 1) lämmittämiseen käytettiin vuonna 2016 n. 38 000
litraa öljyä, ja mikäli savukaasuista kerätty hukkaenergia saataisiin hyödynnet-
tyä, vähenisi kappelin lämmitysöljyn kulutus huomattavasti. Vähentynyt öljyn-
tarve alentaisi kappelin lämmityksestä syntyviä hiilidioksidipäästöjä. Tuh-
kausuunin savukaasujen lämpötilan alentaminen mahdollistaisi myös savu-
kaasujen puhdistuksen, mikä alentaisi huomattavasti ympäristöllä haitallisia
päästöjä, kuten pienhiukkasia ja raskasmetalleja. Alentuneiden puhtaammat
savukaasut auttavat saavuttamaan tulevaisuudessa kiristyvät päästövaati-
mukset krematorioille.
Suomessa on 21 kpl krematorioita joista kuudesta on toteutettu savukaasujen
suodatus ja savukaasujen lämmöntalteenotto. Neljässä yksikössä kerätty
lämpöenergia käytetään lämmittämiseen. Yhdessä krematoriossa lämpöener-
gia käytetään lämmitykseen, mutta ylimääräinen energia myydään ja viimei-
sessä krematoriossa kaikki lämpöenergia myydään. Näistä krematorioista
esittelen tarkemmin kahta: Espoon siunauskappelin krematoriota sekä Turun
Pyhän Ristin kappelin krematoriota. Yhteistä kaikille krematorioiden järjestel-
mille on kuitenkin se, että niiden savukaasujen lämmönhyödyntämiseen on
päädytty, koska savukaasujen lämpötilaa on täytynyt madaltaa puhdistuslait-
teiston toiminnan takia. (Ollila 2018).
-
10
2.1 Espoon siunauskappelin krematorio
Espoon siunauskappelissa (kuva 2) on kaksi tuhkausuunia. Krematorion jär-
jestelmä on kuitenkin mitoitettu vain yhdelle uunille. Tämä ei kuitenkaan ole
krematorion toiminnan kannalta ongelma sillä tuhkausuuneja käytetään vuoro-
tellen, niin että vain toinen uuneista suorittaa polttoa. Espoon siunauskappelin
krematorion savukaasuista kerätty lämpö varastoidaan n. 80 m3 vesisäiliöön.
(Ollila 2018)
Kuva 2. Kuva Espoon siunauskappelista
Säiliön (kuvassa 3, ACC) maksimilämpötilaksi on säädetty 70 °C. Säiliön vettä
käytetään kappelin lämmittämiseen sekä lämpimänkäyttöveden tuottamiseen.
Jos lämpöenergiavarasto on täynnä (70 °C), pyritään lämpöenergia syöttä-
mään Fortumin kaukolämpöverkkoon. Mikäli lämpöenergiaa ei voi syöttää
kaukolämpöverkkoon, lämpöenergia siirretään lauhduttimelle, mikä siirtää
lämpöenergian ulkoilmaan. Mikäli piirissä kiertävä vesi on liian kylmää, että
sitä voitaisiin syöttää kaukolämpöverkkoon, palautuu vesi takaisin savukaasu-
jäähdyttimelle. (Ollila 2018)
-
11
Kuva 3. Kuva Espoon krematorion lämmön talteenoton ohjausnäkymästä
Laitteiston toiminta
Kuvassa 4 on havaintokuva Espoon siunauskappelin krematorion lämmön
talteenotto- ja savukaasujen puhdistusjärjestelmästä.
Kuva 4. Espoon siunauskappelin krematorion lämmön talteenottojärjestelmän ja savukaasu-jen puhdistusjärjestelmän havainnekuva.
Tuhkausuunissa poltetaan kevyttä polttoöljyä. Öljyn ja biologisen materiaalin
palamisesta syntyvä energia siirtyy savukaasukanavaa pitkin savukaasujääh-
dyttimelle, jossa 600 °C savukaasu jäähdytetään 120 °C:n lämpötilaan. Savu-
-
12
kaasujäähdyttimeltä savukaasu siirtyy sykloniin, jossa savukaasuista esi-
erotellaan isot partikkelit. Savukaasut siirtyvät suodatinyksikköön, jossa kalkki-
aktiivihiiliseoksella päällystetyt suodatinkankaat suodattavat raskasmetallit ja
muut haitalliset aineet. Suodatinyksiköltä savukaasut siirtyvät savupiippuun.
Järjestelmän vaatima veto tuotetaan savukaasupuhaltimella, joka luo alipai-
neen järjestelmään saaden savukaasut virtaamaan kanavassa.
2.2 Pyhän Ristin kappelin krematorio, Turku
Pyhän Ristin kappelin (kuva 5) nykyinen talteenottojärjestelmä on yksinkertai-
nen ja koostuu savukaasukanavaa ympäröivästä vesivaipasta. Lähitulevai-
suudessa suunnitteilla oleva lämmön talteenottojärjestelmä tulee tuottamaan
huomattavasti enemmän lämpöenergiaa ja mahdollistamaan suodatuslaitteis-
ton käyttöönoton laskemalla savukaasujen lämpötilan vaaditulle tasolle.
Kuva 5. Kuva Pyhän Ristin kappelista
Järjestelmä koostuu kahdesta savukaasukanavasta, joissa kummassakin on
kaksi lämmön talteenottolaitteistoa. Savukaasujen alkulämpötila on järjestel-
mässä n. 700 °C. (Liite 1)
Tuhkausuunin savukaasuista kerättyä lämpöenergiaa Pyhän Ristin kappelin
krematoriosta on tarkoitus käyttää kappelin lämmitykseen, käyttöveden läm-
mittämiseen sekä syöttää ylimääräinen lämpöenergia kaukolämpöverkkoon.
-
13
Pyhän Ristin kappelin piirustukset, sekä lisätiedot laitteiston toiminnasta sain
sähköpostihaastattelulla Mäkilä Tapiolta, jonka yritys, Tmi Energianhallinta, on
vastuussa järjestelmän suunnittelusta.
3 TERMODYNAMIIKAN PÄÄSÄÄNNÖT
Termodynamiikassa on neljä pääsääntöä. Niistä tarvitsemme kolmea ensim-
mäistä, kun tarkastelemme tämän opinnäytetyön ohessa ilmeneviä fysikaalisia
ilmiöitä.
Nolla-pääsäännön mukaan eristetty systeemi pyrkii termiseen tasapainoon eli
tilaan, jossa lämpötilaerot tasoittuvat ja hakevat yhtenäisen lämpötilan.
Ensimmäinen pääsäännön mukaan energiaa ei voi muodostua tai hävitä, mut-
ta se voi muuttaa muotoaan. Esimerkiksi polttomoottorissa polttoaineen sisäl-
tämä energia ei häviä taivaalle, vaan se muuttuu moottorissa mekaaniseksi
työksi sekä lämmöksi.
Toisen pääsäännön mukaan systeemi pyrkii itsestään kohti termodynaamista
tasapainotilaa eli entropiaa.
Kolmannen pääsäännön mukaan absoluuttista nollapistettä ei voida koskaan
saavuttaa. (Valtanen 2012, 241)
3.1 Lämmönsiirron teoria
Lämpöenergian siirtymisessä lämpöenergiaa siirtyy aineesta toiseen. Tästä
johtuen edellytyksenä lämpöenergian siirtymiselle on aineiden välinen lämpöti-
laero. Termodynamiikan II pääsäännön mukaan lämpöenergia siirtyy aina kor-
keasta lämpötilasta matalampaan. Lämpöenergia pyrkii tasapainotilaan, jossa
aineiden välinen lämpötila olisi yhtenevä. Lämmönsiirtyminen voidaan erotella
pääasiallisesti kolmeen esiintymismuotoon: johtumiseen, konvektioon ja sätei-
lyyn. (Valtanen 2012, 241)
-
14
3.2 Johtuminen
Lämmönjohtuminen on lämpöenergian siirtymistä aineessa systeemin sisällä
tai toiseen systeemiin. Tämä lämmönjohtuminen on molekyylien keskinäistä
törmäilyä ilman aineenvaihduntaa. Lämmönjohtavuus on fysikaalinen ominai-
suus joka kuvaa materiaalin kykyä johtaa lämpöä. Tosiasiassa lämmönjohta-
vuus vaihtelee systeemin eri osissa, mutta usein systeemin lämpötila ajatel-
laan vakiona. (Fagerholm 1986, 255-256.)
Lämmönjohtuminen Fourierin 1 lain mukaan:
Φ = −𝜆𝐴∆𝑇
∆𝑥 (1)
Jossa Φ Lämpövirta eli lämpöteho [W]
λ Lämmönjohtavuus [W/mK]
∆T Pintalämpötilojen erotus [°K]
∆x Aineen paksuus [m]
3.3 Konvektio
Konvektio on liikkuvasta nesteestä tai kaasusta tapahtuvaa lämpövirtausta
kiinteään pintaan tai kiinteästä pinnasta lämpöenergian siirtymisestä nestee-
seen tai kaasuun. Konvektiota esiintyy niin sanotusti pakotetusti sekä vapaas-
ti. (Fagerholm 1986, 256-257)
Pakotetussa konvektiossa nesteen tai kaasun virtaus aiheutuu ulkoisista syis-
tä, kuten pumpusta tai puhaltimesta. Pakotettua konvektiota on esimerkiksi
hiustenkuivaajan toiminta. Lämmityselementin lämpöenergiaa siirretään il-
maan puhaltamalla ilmaa lämpöelementin läpi.
Vapaassa konvektiossa nesteen tai kaasun virtaus aiheutuu painovoimaisesti
tai keskipakovoimaisesti, eli veden tai kaasun virtaukseen ei vaikuta ulkoisia
voimia. Esimerkkinä vapaasta konvektiosta on veden kiehuminen kattilassa.
Kattilan pohjan läpi siirtyy lämpöenergiaa veteen. Virtaus syntyy lämpötilan-
nousun aiheuttamasta tiheyserosta. Kuuman veden tiheys laskee ja tämän
-
15
laskun johdosta kuuma vesi kohoaa kattilassa ylöspäin tiheämmän viileän ve-
den laskeutuessa kattilan pohjalle.
3.4 Säteily
Lämpösäteily on sähkömagneettista säteilyä, jota lähettää jokainen kappale
tuottaa lämpötilansa perusteella (Fagerholm 1986). Säteily ei vaadi väliainetta
lämpöenergian siirtämiseen. Kun lämpösäteilyä osuu kappaleeseen, osa läm-
pösäteilyn sisältämästä energiasta absorboituu kappaleeseen loppuosan hei-
jastuessa tai kulkeutuessa kappaleen läpi. Lämpösäteilyn absorptioon vaikut-
taa kappaleen heijastuvuus eli emissiivisyys. Mitä tasaisempi ja heijastavampi
pinta on, sitä vähemmän kappale absorboi lämpösäteilyä. (Fagerholm 1986,
258-259.)
4 LÄMMÖN TALTEENOTTOJÄRJESTELMÄN TOIMINTA JA KOM-
PONENTIT
Kuvassa 6 on esitettynä lämmön talteenotto- ja lämpöenergianvarastointijär-
jestelmästä, mikä on liitetty olemassa olevaan lämmitysjärjestelmään.
Kuva 6. Piirros lämmöntalteenottolaitteiston virtauskaavio
-
16
Lämmönvaihtimen toimintaperiaate
Lämmönvaihtimia käytetään siirtämään lämpöenergiaa erilämpötiloissa olevi-
en kaasujen tai nesteiden välillä. Tarkoituksena on yleensä siirtää energiaa
muualle hyödynnettäväksi tai energian siirtämiseksi pois prosessista.
Kuva 7. Espoon krematorion lämmönvaihdin
Kuva 8. Lämmön talteenottolaitteen toiminta kuvana
Lämmönsiirron esimerkissä (Kuva 8) virtaava savukaasu luovuttaa lämpö-
energiaansa vesikiertoon. Tämän seurauksena vesikierto piirin lämpötila nou-
see ja savukaasujen lämpötila laskee. Lämmönvaihdon tehokkuus kasvaa
lämmönsiirtoon käytetyn pinta-alan kasvaessa. Mitä pienempi on kuuma-
vesipiirin ja kylmävesipiirin lämmönvaihtimen sisäänmeno lämpötilan ero, sitä
-
17
pienempi teho saavutetaan. Mitä suurempi on savukaasujen ja vesikierron
lämpötila ero, sitä tehokkaammin lämpöenergia siirtyy vesipiiriin.
Tämä ilmiö selittyy termodynamiikan toisen pääsäännön avulla. Mitä suurempi
entropiaero eri järjestelmien välillä on, sitä voimakkaammin systeemi yrittää
löytää termodynaamisen tasapainotilan.
Kuvassa 9. on esitelty lämmönvaihtimen piirrosmerkki.
Kuva 9. Lämmönvaihtimen piirrosmerkki
Sekoitusventtiili
Sekoitusventtiiliä (kuva 10) käytetään sekoittamaan kahden eri putkilinjan nes-
tevirtaukset. Tätä ratkaisua käytetään yleisesti nesteen lämmönsäätelyyn.
Venttiilin asentoa säädetään lämmönsäätäjällä eli toimilaitteella, jota ohjataan
veden lämpötilaohjauksella.
Kuva 10. Esimerkkikuva sekoitusventtiilistä
Kuva 11. Sekoitusventtiilin piirrosmerkki
Lämmönsäädin
-
18
Kyseessä on toimilaitteen ja logiikkayksikön yhdistelmä. Logiikka saa mittaus-
tiedon lämpötila-anturilta ja säätää toimilaiteen avulla venttiilin asentoa. ku-
vassa 12 on esimerkki lämmönsäätimestä
Kuva 12. Esimerkkikuva lämmönsäätimestä
Kiertovesipumppu
Kiertovesipumppua (kuva 13) käytetään liikuttamaan putkissa olevaa nestettä.
Kiertovesipumppuja on monenlaisia. Aikaisempina vuosikymmeninä kierto-
vesipumppuina käytettiin kiinteäpainepumppuja, mutta nykyään käytettävät
pumput ovat joko taajuusmuuttajaohjattuja tai mekaanisesti itse säätyviä. Taa-
juusmuuttaja pumppujen ohjauksessa voidaan lähtökohtaisesti käyttää paine-
ja/tai lämpötilaohjausta.
Kuva 13. Esimerkkikuva kiertovesipumpusta
Öljykattila
Öljykattilaa käytetään Parikan kappelissa tuottamaan lämpöä sekä lämmintä
käyttövettä.
-
19
Kuva 14. Parikan kappelin öljykattila
Kuva 15. Kappelin lämmitykseen käytettävän öljykattilan ja krematorion piirrosmerkki
Lauhdutin
Lauhdutinta käytetään silloin, kun krematorion lämmöntuotto ylittää sekä läm-
pöpatterin että kappelin lämmöntarpeen. Tämä on tärkeää, koska lämmön
talteenottojärjestelmän veden lämpötila ei saa ylittää kiehumispistettä ja koska
näin saadaan savukaasujen loppulämpötila halutuksi. Mikäli veden lämpötila
lämmön talteenottojärjestelmässä saavuttaa kiehumispisteen, syntyy vesi-
höyryä ja sitä kautta painetta, jota järjestelmä ei rakenteellisesti kestä. Lauh-
dutin koostuu jäähdytyskennoista sekä puhaltimista. Lauhduttimessa kuuma-
vesi johdetaan jäähdytyskennoihin, joista lämpöenergia siirretään puhaltamal-
la ilmaan kennon läpi, eli konvektion avulla ulkoilmaan. Lauhdutin tulee mitoit-
taa vastaamaan lämmön vaihtimen teholtaan lämmönsiirtimen tehoa.
-
20
Kuva 16. Lauhduttimen piirrosmerkki
Patteriverkko
Patteriverkko pitää sisällään kaikki patterit ja lämmittimet, jotka saavat lämpö-
energiansa keskuslämmityksestä (öljykattilasta).
Kuva 17. Patteriverkon piirrosmerkki
Vesisäiliö
Vesisäiliö toimii Kymen krematorion lämmöntalteenottojärjestelmän tapauk-
sessa lämpöenergiasäiliönä. Tuhkausuunilta kerättävää lämpöenergiaa va-
rastoidaan säiliön veteen. Valmistaja on antanut maksimilämpötilaksi noin
100°C ja maksimi paineeksi 1 baarin.
Kuva 18. Vesisäiliön piirrosmerkki
-
21
5 SELVITYSTYÖ JA DATAN KERÄÄMINEN
Tämän opinnäytetyön tiedot ja lämmöntalteenoton suunnittelut pohjautuvat
materiaaliin ja tietoihin, jotka olen tutkimuksillani, haastatteluilla sekä Kymilab-
sin toteuttamaan päästömittausraporttiin Kymen krematoriosta.
Pohjatiedot Parikan kappeliin ja Kymen krematorioon sain osana Energiate-
hokkuuskurssilla ryhmätyönä tekemääni energikatselmusta. Energiakatsel-
muksen tehtävänä oli selvittää mm. kappelin sekä krematorion nykyinen ener-
giankulutus ja selvittää tapoja vähentää energiankulutusta ja saada siten ai-
kaiseksi säästöjä. Katselmuksen aikana huomio kiinnittyi huomattavan suu-
reen öljynkulutukseen, niin kappelissa kuin krematoriossa. Koska kappeli on
rakennettu 1960-luvulla ja ennen vuoden 1973 öljykriisiä, on kappelin lämpö-
eristykset nykymittapuulla huonot. Muun muassa tästä johtuen kappelin läm-
mittämiseen kuluu huomattava määrä energiaa. Vuonna 2016 lämmitykseen
käytettiin n. 38 m3 kevyttä poltto-öljyä, mikä energialtaan vastaa 380 MWh.
Suunniteltaessa lämmöntalteenottoa on kerättävälle lämpöenergialle oltava
kulutuskohde. Koska kappelin lämmitysenergian kulutus on huomattavaa, on
energiantehokkuuden nimissä luontevaa käyttää savukaasujen energiaa läm-
mitykseen. On kuitenkin muistettava, että lämmöntalteenoton päätehtävänä
on madaltaa krematorion savukaasujen lämpötilaa, jotta savukaasujen pääs-
töjä voidaan vähentää.
Toukokuussa 2015 Kymenlaakson Ammattikorkeakoulu Oy:n Kymilabs /
Päästömittauspalvelut, suorittivat päästömittaukset Kymen krematoriolla. Mit-
tausten tarkoituksena oli selvittää tuhkausuunin savukaasupäästöt. Mittaus-
jakson aikana suoritettiin 5 tuhkausta. Päästömittaukset suoritettiin polttouunin
ja ejektoripuhaltimen jälkeen savupiipusta n.10 metrin korkeudesta. Savukaa-
sumääräksi mitattiin hetkellisesti 1 – 4 m3(n)/s.
-
22
Kuva 19. Krematorio ulkopuolelta
Kuvassa 19 näkyy itse krematorio rakennus ja savupiippu. Kuvassa 20 näkyy
savukaasukanavan sijainti maan sisällä.
Kuva 20. Savukaasukanavan (vihreä), sekä savupiipun sijainti (punainen)
-
23
Kuva 21. Havainnekuva savukaasukanavasta
Kymen krematorion tapauksessa savukaasujen lämpötilan ja määrän mittaa-
minen on ongelmallista useasta syystä. Kuten kuvasta 19 ja kuvasta 20 on
nähtävissä, savukaasukanava kulkee maan sisällä savupiipulle ja koska erilli-
siä mittausyhteitä ei ole, savukaasujen lämpötila on mahdollista mitata vain
savupiipun päästä. Savupiipun päästä mittaamisessa ongelmaksi muodostuu
se, että savukaasukanavaan syötetään raitista ilmaa ejektoripuhaltimella (ku-
va 21). Ejektoripuhaltimen tarkoituksena on synnyttää kanavan tuhkausuunin
päähän alipainetta ja sitä myöten vetoa, joka on tärkeää palamisprosessin
kannalta. Koska savukaasukanavaan syötetään kylmää ilmaa, on käytännös-
sä mahdotonta selvittää tuhkauksesta syntyvien savukaasujen lämpötilaa se-
kä tilavuusvirtaa ejektoripuhaltimen jälkeen. Tarkan lämpötiladatan saamisek-
si, olisi lämpötila-anturi asennettava lähellä tuhkausuunia. Johtuen savukaa-
sukanavan sijainnista sekä savukaasujen korkeista lämpötiloista, anturin
asentaminen vaatisi tuhkausuunin jäähtymistä sekä kanavan rakenteiden
avaamista. Vuoden 2017 kesällä savukaasukanavan jouduttiin muuraamaan
uudelleen ja krematorion toiminta oli tällä välin tauolla, mutta valitettavasti
suuria lämpötiloja kestävää anturia ei ollut saatavilla mittauksiin kyseisenä
ajankohtana.
-
24
Kuva 22. Krematorion hallintajärjestelmän lämpötila loki
Lämpötiladataa krematorion toiminnasta oli mahdollista saada vain vanhoina
paperitulosteina, sillä krematorion nykyisestä hallintajärjestelmästä (kuva 22)
ei ole mahdollista kerätä lokitietoja, koska laitteisto ei tallenna ja ylläpidä da-
taa. Koska dataa tuhkausuunin toiminnasta oli mahdotonta saada, jouduin
turvautumaan tulosteisiin vuosilta 1999 – 2003, ajalta ennen kuin Krematorion
hallintalaitteisto uudistettiin nykyiseen. Koska uudistuksessa muutettiin vain
hallintalaitteisto, ovat tulosteet vielä nykyäänkin relevantteja.
Taulukko 1 Lämpötiladatan lämpötilajakauma
Jälkipolton lämpöti-la
Pisteiden luku-määrä Prosentteina
>1100°C 16 1,17 %
1000 - 1100 °C 21 1,54 %
900 - 1000 °C 75 5,51 %
800 - 900 °C 404 29,66 %
700 - 800 °C 733 53,82 %
600 - 700°C 67 4,92 %
-
25
säksi tuhkausuunien rakenne on hyvin yhtenäinen, mistä voidaan tehdä oletus
siitä, että todennäköisesti savukaasujen lämpötila ei voi erota huomattavasti
muiden tuhkausuunien savukaasujen lämpötilasta. Turun esimerkin uusissa
suunnitelmissa savukaasujen lämpötilaksi on mitoitettu 700 °C, kun taas Es-
poon krematorion savukaasujen lämpötilaksi on julkisesti ilmoitettu 600 °C.
Taulukko 2 Yhden tuhkauksen kuluttama öljymäärä
Vuoden 2016 tuhkaukset
Tuhkauksia 1400 kpl
Öljyä kului 41387 l
Öljyä keskim. Kulutus 29,6 l/tuhkaus
Vuonna 2016 tuhkauksia oli Kymen krematoriolla1400 kpl (Malinen 2018) ja
öljyä niiden suorittamiseen kului 41 387 litraa. Tämä tarkoittaa, että öljyä kului
29,6 l tuhkausta kohti. (taulukko 2) Tämä ei kuitenkaan anna tarkkaa koko-
naiskuvaa, sillä käyttäjäkokemukset mukaan öljyä kuluu loppupäivästä huo-
mattavasti vähemmän luin aamupäivästä. Tämä johtuu siitä, että päivän aika-
na tuhkausuuniin rakenteisiin varastoituu lämpöenergiaa. Tämä vähentää pol-
tettavan öljyn määrää, ja tuhkausuuni voidaan pitää halutussa lämpötilassa.
Haastatteluissa arvioitiin aamupäivästä kuluvan öljyä 26 l/tuhkaus, mikä vähe-
nee 10 litraan tuhkausta kohti iltapäivällä.
6 LÄMMÖNSIIRTIMEN MITOITUS
Lämmönsiirtimen mitoituksessa on tehtävä muutamia olettamuksia, johtuen
siitä että savukaasujen lämpötilaa eikä virtausta ei ole voitu selvittää. Läm-
mönsiirrin toimii vastavirtaperiaatteen mukaisesti, koska veden virtaussuunta
on päinvastainen savukaasujen virtaukseen nähden. Lämmön siirtyminen on
tehokkainta, kun lämpötilaero on suurimmillaan.
Koska savukaasukanava sijaitsee maan sisällä, on otettava huomioon läm-
mönsiirtimen likaantuminen ja sitä kautta tarve sen puhdistamiselle. Siksi täs-
sä opinnäytetyössä mitoitettu/esitetty lämmönvaihtimen rakenne on pelkistetty
ja koostuu suorista ruostumattomista teräsputkista.
-
26
Logaritminen lämpötilaero
Keskimääräinen lämpötilaero savukaasun ja veden välillä voidaan laskea joko
aritmeettisena tai logaritmisena. Logaritminen lämpötilaero on näistä lasku-
menetelmistä tarkempi ja vastaa paremmin lämpötilan käyttäytymistä.
Kuva 23. Lämpötilan muutokset lämmönvaihtimessa
Logaritmisen lämpötilaeron laskemiseen voidaan käyttää kaavaa (Wagner
1994,154)
∆𝑇𝑙𝑜𝑔 =∆𝑇𝐴−∆𝑇𝐵
𝑙𝑛∆𝑇𝐴∆𝑇𝐵
(2)
jossa ΔTlog logaritminen lämpötilaero [°C]
ΔTA virtojen lämpötilaero lämmönvaihtimen alku-
päässä [°C]
ΔTB virtojen lämpötilaero lämmönvaihtimen loppu-
päässä [°C]
Savukaasujen lämpötiloista tiedämme, että savukaasujen lämpötila pitää las-
kea 200 °C:seen savukaasujen puhdistuslaitteistojen toiminnan mahdollista-
miseksi. On myös tiedossa, että vastaavissa muissa tuhkausuuneissa savu-
kaasujen lämpötila on 600–700 °C ja myös se että 83,48 % ajasta Kymen
krematorion tuhkausuuninlämpötila on 700–900 °C. Ilman tarkempia lämpöti-
-
27
lamittauksia, ja jotta suuntaa antava mitoitus voidaan tehdä, voimme olettaa
savukaasujen lämpötilan olevan 750 °C.
Koska lämpöenergiavarastona toimivan säiliö kestää vain n.100 °C lämpötilan
sekä yhden 1 barin paineen, on säiliölle tulevan veden turvallinen maksimi-
lämpötila 95 °C. Varmistaakseni lämmönvaihtimen pystyvän vielä keräämään
energiaa savukaasuista, myös silloin kun lämpöenergiavarasto on melkein
täynnä, on mielestäni perusteltua olettaa lämmönvaihtimelle saapuvan veden
olevan lähellä lämmönsiirtimeltä säiliölle lähtevän veden lämpötilaa eli 90 °C.
Sijoittamalla lämpötilat kaavaan saamme logaritmiseksi lämpötilaeroksi:
∆𝑇𝑙𝑜𝑔 =(750 °𝐶 − 95 °𝐶) − (200 °𝐶 − 90 °𝐶)
𝑙𝑛(750 °𝐶 − 95 °𝐶)(200 °𝐶 − 90 °𝐶)
= 305,47 °𝐶
6.1 Savukaasuvirran teho
Tarvittavan putkipinta-alan laskemiseksi on ensin selvitettävä lämpöener-
giateho, mikä syntyy savukaasujen virtauksesta. Koska savukaasujen tila-
vuusvirtaa ei ole voitu mittaamalla selvittää, voidaan tehoa yrittää arvioida
tuhkausuunissa kuluneesta polttoaineesta, sekä palaneesta orgaanisesta ai-
neesta.
Vuonna 2016 suoritettiin 1 400 kpl (Malinen 2018) tuhkauksia, joihin käytettiin
41 387 litraa kevyttä polttoöljyä. Eli öljyä kului 29,6 litraa (23,68 kg) tuhkausta
kohti. Ihmisen ruumiinpainosta on 50 – 70 % vettä. Tämä täytyy ottaa huomi-
oon, kun lasketaan ihmisestä savukaasuihin syntyvää tehoa. Kun ihminen
tuhkataan, ihmiseen sitoutunut vesi muuttuu vesihöyryksi ja kulkeutuu savu-
kaasujen mukana savukaasukanavaan. Tämän vesihöyryyn sitoutuneen
energian talteen ottaminen vaatisi vesihöyryn lauhduttamista takaisin vedeksi.
Koska erillistä lauhdutinta ei ole, vesihöyryyn sitoutunut energia siirtyy lämpö-
energiahäviönä taivaalle. Tästä johtuen, ihmisen lämpöarvoa laskiessa tulee
käyttää alemman lämpöarvon laskentakaavaa (kaava 3). Täten saadaan ihmi-
sen tehollinen lämpöarvo. Kilossa rasvaa on 7 000 kcal (29,288 MJ/kg). Las-
kennan yksinkertaistamiseksi oletamme että tuhkattava koostuu vain vedestä
ja rasvasta. Ihminen painaa keskimäärin 70 – 85 kg. Tehon mitoittamista var-
-
28
ten oletamme että tuhkattava henkilö painaa 75 kiloa, mistä 52,5 kg vettä ja
22,5 kg rasvaa.
Käyttämällä alemman lämpöarvon laskentakaavaa (VTT 2016), voidaan ihmi-
sen lämpöarvo arvioida
𝑄𝑛𝑒𝑡,𝑖ℎ𝑚𝑖𝑛𝑒𝑛 = 𝑄𝑛𝑒𝑡,𝑑 ·100−𝑀
100− 0,02443 · 𝑀 (3)
jossa Qne,tihminen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg]
Qnet,d kuivan aineen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg]
M kokonaiskosteus [%]
0,02443 höyrystymisen entalpian korjauskerroin vedelle
25 °C lämpötilassa, MJ/kg per 1 p-% kosteutta
𝑄𝑛𝑒𝑡,𝑖ℎ𝑚𝑖𝑛𝑒𝑛 = 29,288 𝑀𝐽/𝑘𝑔 ·100 − 70 %
100− 0,02443 · 70 %
𝑄𝑛𝑒𝑡,𝑖ℎ𝑚𝑖𝑛𝑒𝑛 = 7,08 𝑀𝐽/𝑘𝑔
Öljyn tiheytenä ja tehollisena lämpöarvoina käytämme taulukoista löytyviä ar-
voja 0,8 kg/l ja 42,6 MJ/kg. Nyt on mahdollista laskea tuhkauksen aikana sa-
vukaasuihin vapautunut energia.
𝑄𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎 = 𝑄𝑛𝑒𝑡,𝑖ℎ𝑚𝑖𝑛𝑒𝑛 · 𝑚𝑖ℎ𝑚𝑖𝑛𝑒𝑛 + 𝑄𝑛𝑒𝑡,ö𝑙𝑗𝑦 · 𝑚ö𝑙𝑗𝑦 (4)
jossa Qtuhka tuhkauksessa siirtynyt energia [MJ]
Qnet,ihminen ihmisen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg]
mihminen ihmisen massa [kg]
Qnet,öljy öljyn tehollinen lämpöarvo [MJ/kg]
möljy öljyn massa [kg]
𝑄𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎 = 7,08 𝑀𝐽 𝑘𝑔⁄ · 75 𝑘𝑔 + 42,6 𝑀𝐽 𝑘𝑔⁄ · 23,68 𝑘𝑔
𝑄 = 1 557,18 𝑀𝐽
-
29
Krematorion työntekijöiden haastattelujen perusteella tuhkaus kestää yhdestä
kahteen tuntia (Malinen 2018), mikä tarkoittaa keskiarvona 1,5 tuntia, eli
5 400 sekuntia, per tuhkaus. Jakamalla vapautuneen energiamäärän ajalla
saamme laskettua tehon.
𝜙𝑠𝑣 =𝑄𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎
𝑡 (5)
jossa ϕsv savukaasujen teho [MW]
Qtuhka savukaasuihin siirtynyt energia [MJ]
t tuhkaukseen kulunut aika [s]
𝜙𝑠𝑣 =1 557,18 𝑀𝐽
5 400𝑠
𝜙𝑠𝑣 = 0,285 𝑀𝑊
6.2 Lämmönvaihtimen tehon mitoitus
Koska savukaasuja ei jäähdytetä ulkoilman lämpötilaan, on savukaasuihin
vielä sitoutuneena huomattava osa savukaasujen lämpöenergiasta. Voidak-
seen selvittää lämmönvaihtimen teho tulee savukaasujen kokonaistehosta
vähentää se osa, joka jatkaa lämmönvaihtimen jälkeen savupiipun kautta ul-
koilmaan. Lämmönvaihtimen aiheuttamasta lämpötilamuutoksesta suhteessa
750 °C lämpötilaan, saadaan kerroin, jota voidaan käyttää lämmönvaihtimen
tehon laskemiseen. Kerroin ksv voidaan täten laskea kaavalla
𝑘𝑠𝑣 =𝛥𝑇𝑙𝑡𝑜
𝑇𝑒𝑛𝑛𝑒𝑛 (6)
jossa ksv savukaasujen lämpötilojen muutoskerroin [-]
ΔTlto lämmönsiirtimessä tapahtunut lämpötilan muutos
[°C]
Tennen savukaasujen lämpötila niiden tullessa lämmön-
vaihtimelle [°C]
𝑘𝑠𝑣 =(750 °𝐶 − 200 °𝐶)
750 °𝐶
-
30
𝑘𝑠𝑣 = 0,733
Lämmönvaihtimen tehon laskemiseen voidaan käyttää kaavaa
𝜙𝑙𝑡𝑜 = 𝑘𝑠𝑣𝜙𝑠𝑣 (7)
jossa ϕlto lämmönvaihtimen teho [MW]
ksv savukaasuissa tapahtunut lämpötilamuutos [-]
ϕsv savukaasujen teho [MW]
𝜙𝑙𝑡𝑜 = 0,733 · 0,285 𝑀𝑊
𝜙𝑙𝑡𝑜 = 0,209 𝑀𝑊
6.3 Tarvittava putkipinta-ala
Lämmönsiirtimen rakenne koostuu putkista, joiden sisällä virtaa savukaasuja
kylmempi vesi. Putkiston yhteenlasketun pinta-alan täytyy olla riittävän suuri,
jotta lämpöenergia ehtii siirtymään savukaasuista putkissa virtaavaan veteen.
Lämmönsiirtimen tarvitsema putkipinta-ala voidaan selvittää käyttämällä kaa-
vaa
𝜙 = 𝐴𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖𝑘∆𝑇𝑙𝑜𝑔 (8)
jossa 𝜙 teho [W]
Aputki Tarvittava pinta-ala [m2]
k kokonaislämmönsiirtymiskerroin [W/m2°C]
ΔTlog Logaritminen lämpötilaero [°C]
Joka voidaan johtaa muotoon
𝐴 =𝜙
𝑘∆𝑇𝑙𝑜𝑔
-
31
Sijoittamalla aikaisemmin lasketut arvot kaavaan saadaan putkiston pinta-
alaksi:
𝐴𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 =209 067 𝑊
30 𝑊 𝑚2⁄ °𝐶 · 305,5 °𝐶
𝐴𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 22,8𝑚2
6.4 Tarvittava putken kokonaispituus
Putkien vaadittu kokonaispituus voidaan laskea kaavalla. Putkeksi on valittu
DN40, minkä ulkomitta on 0,04826 m ja seinämävahvuus 0,00277 m
𝑙𝑘𝑜𝑘 =𝐴𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖
𝜋𝐷 (9)
jossa lkok tarvittava putken kokonaispituus [m]
Aputki putken vaadittu pinta-ala [m2]
D putken valitun putken ulkohalkaisija [m]
𝑙 =22,8 𝑚2
𝜋 · 0,04826 𝑚
𝑙 = 150,47 𝑚
6.5 Savukaasun tiheyden laskeminen
Savukaasujen tiheys voidaan laskea johtamalla kaava ideaalikaasun tilayhtä-
löstä muotoon (Valtanen 2012, 238),
𝜌𝑠𝑣 =𝜌
𝑅𝑇 (10)
jossa p paine [Pa]
ρsv savukaasun tiheys [kg/m3]
R ilman kaasuvakio [J/kgK]
T savukaasun keskimääräinen jäähtymä [K]
-
32
Ilman kaasuvakioksi merkitään 287 J/kg·K (Heat Atlas, 1993, 172). Savukaa-
sun keskimääräinen jäähtymä lasketaan lämmönvaihtimessa tapahtuneen
muutoksen keskimääräisen lämpötilan mukaan. Savukaasujen tiheys muuttuu
lämpötilan mukaan, mutta käyttämällä jäähtymisen keskimääräistä lämpötilaa
saadaan savukaasujen tiheydestä laskennallisesti hyödyllinen arvio.
𝜌 =𝑝
𝑅𝑇
𝜌𝑠𝑣 =100 000 𝑃𝑎
289 𝐽 𝑘𝑔⁄ 𝐾 · (1023,15 + 473,15
2 ) 𝐾
𝜌𝑠𝑣 = 0,4625 𝑘𝑔/𝑚3
6.6 Savukaasujen virtaus
Koska savukaasukanavaan asennettavat putket haittaavat savukaasujen vir-
tausta, tulee savukaasujen virtausnopeuden olla riittävän suuri (10 m/s). Vir-
tausnopeuden laskemiseksi pitää ensin selvittää savukaasujen tilavuusvirta ja
tilavuusvirran selvittämiseksi täytyy selvittää massavirta. Savukaasujen omi-
naislämpökapasiteetti on 1,1 kJ/kg°C ja tiheys 0,4625 kg/m3. Massavirta on
mahdollista saada laskettua kaavasta johtamalla
𝜙 = 𝑞𝑚𝐶𝑝𝛥𝑇 (11)
𝑞𝑚 =𝜙
𝐶𝑝𝛥𝑇
jossa ϕ savukaasun teho [kW]
qm savukaasun massavirta [kg/s]
Cp savukaasun ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg°C]
ΔTlto lämmönsiirtimessä tapahtunut lämpötilan
muutos [°C]
𝑞𝑚 =285,1 𝑘𝑊
1,1 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ °𝐶 · 550 °𝐶
-
33
𝑞𝑚 = 0,471 𝑘𝑔/𝑠
Tilavuusvirta on mahdollista johtaa kaavasta
𝑞𝑚 = 𝜌𝑞𝑣 (12)
jossa qm savukaasun massavirta [kg/s]
ρsv savukaasun tiheys [kg/m3]
qv savukaasun tilavuusvirta [m3/s]
𝑞𝑣 =𝑞𝑚𝜌𝑠𝑣
𝑞𝑣 =0,471 𝑘𝑔/𝑠
0,4625 𝑘𝑔/𝑚3
𝑞𝑣 = 1,0189 𝑚3/𝑠
Savukaasujen virtaukselle tarvittava pinta-ala saadaan johdettua kaavasta
𝑞𝑣 = 𝑤𝐴sv (13)
jossa qv savukaasun tilavuusvirta [m3/s]
w savukaasun virtausnopeus [m/s]
Asv savukaasujen tarvitsema pinta-ala [m2]
𝐴𝑠𝑣 =𝑞𝑣𝑤
𝐴𝑠𝑣 =1,0189 𝑚3/𝑠
10 𝑚/𝑠
𝐴𝑠𝑣 = 0,1019 𝑚2
-
34
Tuhkausuunin savukaasukanava on teknisten piirrosten mukaan 0,44 m kor-
kea ja 0,44 metriä leveä (0,1936 m2). Savukaasujen vaatimasta pinta-alasta
johtuen (0,1019 m2), savukaasukanavasta voi hyödyntää vain 0,0917 m2.
6.7 Putkirivien määrä ja pituus
Laskettaessa savukaasukanavaan mahtuvien rinnakkaisten putkien määrä, on
otettava huomioon, että savukaasukanavasta on hyödynnettävissä vain
0,0917 m2. Rinnakkain olevien putkien lukumäärän laskemiseksi täytyy ensin
laskea yhden putken virtauspinta-ala, jonka jälkeen hyödynnettävissä oleva
pinta-ala voidaan jakaa putkien virtauspinta-alalla.
Kuva 24. Havainnekuva lämmönsiirtimen putkista. (Edestä katsottuna)
Yhden putken virtauspinta-ala voidaan laskea käyttämällä kaavaa
𝐴𝑦𝑘𝑠𝑖 𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 𝐷 · ℎ𝑘𝑎𝑛𝑎𝑣𝑎 (14)
jossa Ayksi putki yhden putken virtauspinta-ala [m2]
D valitun putken halkaisija [m]
hkanava savukaasukanavan korkeus [m]
𝐴𝑦𝑘𝑠𝑖 𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 0,4826 𝑚 · 0,44 𝑚
𝐴𝑦𝑘𝑠𝑖 𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 0,0212 𝑚2
-
35
Jakamalla käytettävissä oleva pinta-ala yhden putken virtauspinta-alalla saa-
daan tulokseksi savukaasukanavaan mahtuvien putkirivien määrä.
𝑋𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 =𝐴𝑘ä𝑦
𝐴𝑦𝑘𝑠𝑖 𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 (15)
jossa Xputki putkirivien lukumäärä [kpl]
Akäy kanavan käytettävissä oleva pinta-ala [m2]
Ayksi putki yhden putken virtauspinta-ala [m2]
𝑋𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 =0,0917 𝑚2
0,0212 𝑚2
𝑋𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 4
Putkirivien välinen etäisyys toisistaan saadaan jakamalla savukaasujen tarvit-
sema pinta-ala putkirivien määrällä, johon on lisättynä 2 (reunimmaisten put-
kien ja seinänvälinen alue). Savukaasujen on mahduttava virtaamaan putken
molemmilta puolilta.
𝑋𝑟𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛 𝑣ä𝑙𝑖 =𝐴𝑠𝑣
𝑋𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖+2 (16)
jossa Xrivien väli putkirivien välinen etäisyys [m]
Asv savukaasujen tarvitsema pinta-ala [m2]
Xputki putkirivien lukumäärä [kpl]
𝑋𝑟𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛 𝑣ä𝑙𝑖 =0,1019 𝑚2
4 𝑘𝑝𝑙 + 2
𝑋𝑟𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛 𝑣ä𝑙𝑖 = 0,0167 𝑚
Yhden putkirivin pituus saadaan laskettua jakamalla tarvittavan putken koko-
naispituus putkirivien lukumäärällä
-
36
𝑙𝑟𝑖𝑣𝑖 =𝑙𝑘𝑜𝑘
𝑋𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 (17)
jossa lrivi putkirivin pituus [m]
lkok tarvittava putken kokonaispituus [m]
Xputki putkirivien lukumäärä [kpl]
𝑙𝑟𝑖𝑣𝑖 =150,47 𝑚
4 𝑘𝑝𝑙
𝑙𝑟𝑖𝑣𝑖 = 37,62 𝑚
6.8 Putkikoon valinta ja vesipiirin mitoitus
Putkikoon valinnassa yksi tärkeimmistä mitoitusperusteista on painehäviö.
Painehäviön minimoimiseksi vedenvirtausnopeus lämmönvaihtimen putkistos-
sa ei saa ylittää 2 m/s. Putkikooksi valikoitui laskennan jälkeen DN 40, minkä
ulkohalkaisija on 48,26 mm ja seinämävahvuus on 2,77 mm. Putkistossa vir-
taavan veden nopeuden selvittämiseksi tulee ensin laskea virtaavan veden
massavirta, joka voidaan johtaa kaavasta:
𝜙𝑙𝑡𝑜 = 𝑞𝑚,𝑣𝑒𝑠𝑖 · 𝑐𝑝,𝑣𝑒𝑠𝑖 · 𝛥𝑇 (18)
jossa ϕlto lämmönvaihtimen teho [kW]
qm,vesi veden massavirta [kg/s]
cp,vesi veden ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg°C]
ΔT vedenlämpötilan muutos vaihtimessa [°C]
𝑞𝑚,𝑣𝑒𝑠𝑖 =𝜙𝑙𝑡𝑜
𝑐𝑝,𝑣𝑒𝑠𝑖 · 𝛥𝑇
𝑞𝑚,𝑣𝑒𝑠𝑖 =209 𝑘𝑊
4,19 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ °𝐶 · (95 °𝐶 − 90 °𝐶)
𝑞𝑚,𝑣𝑒𝑠𝑖 = 9,98 𝑘𝑔/𝑠
-
37
Yhdessä putkessa virtaava massavirta saadaan jakamalla veden massavirta
putkirivien lukumäärällä.
𝑞𝑚,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 =𝑞𝑚,𝑣𝑒𝑠𝑖
𝑋𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 (19)
jossa qm,putki yhden putken veden massavirta [kg/s]
qm,vesi veden massavirta [kg/s]
Xputki veden ominaislämpökapasiteetti [kpl]
𝑞𝑚,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 =9,98 𝑘𝑔/𝑠
4 𝑘𝑝𝑙
𝑞𝑚,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 2,49 𝑘𝑔/𝑠
Veden tilavuusvirran laskemiseksi voidaan käyttää kaavaa
𝑞𝑚,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 𝑞𝑣,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 · 𝜌𝑣𝑒𝑠𝑖,95°𝐶 (20)
jossa qm,putki yhden putken veden massavirta [kg/s]
qv,putki yhden putken veden tilavuusvirta [m3/s]
ρvesi,95°C veden vedentiheys 95 °C lämpötilassa [kg/m3]
𝑞𝑣,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 =𝑞𝑚,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖
𝜌𝑣𝑒𝑠𝑖,95°𝐶
𝑞𝑣,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 =2,49 𝑘𝑔/𝑠
965,3 𝑘𝑔/𝑚3
𝑞𝑣,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 0,0026 𝑚3/𝑠
Tilavuusvirran avulla on mahdollista laskea veden virtausnopeus yhdessä put-
kessa käyttämällä kaavaa.
𝑞𝑣,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 𝑤𝐴𝑣𝑒𝑠𝑖𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 (21)
jossa qv,putki yhden putken veden tilavuusvirta [m3/s]
-
38
w veden virtausnopeus [m/s]
Avesiputki yhden putken veden virtauksen pinta-ala [m2]
𝑤 =𝑞𝑣,𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖
𝐴𝑣𝑒𝑠𝑖𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖
𝑤 =0,0025 𝑚3/𝑠
𝜋4 · (0,0427 𝑚)
2
𝑤 = 1,80 𝑚/𝑠
Mikäli käytettäisiin DN 32 putkea, veden virtaus olisi 2,45 m/s, mikä kasvattaisi
virtaushäviöitä huomattavasti.
6.9 Lämmönsiirtimen pituus
Kuva 25. Havainnekuva lämmönsiirtimen putkista savukaasukanavassa. (sivulta)
Kukin putkirivi on taivutettu ”kiepeille” niin että sivusta katsoen putken profiili
on aaltomainen. Tämän tarkoituksena on tehdä lämmönsiirtimestä fyysisesti
pienempi. Jokainen putki pituussuunnassa on putken halkaisijan (0,04216 m)
etäisyydellä toisistaan. Etäisyys voidaan siis laskea käyttäen yhtälöä
𝑙𝑙𝑡𝑜 =𝑙𝑟𝑖𝑣𝑖
ℎ𝑘𝑎𝑛𝑎𝑣𝑎· 𝐷𝑒𝑡ä𝑖𝑠𝑦𝑦𝑠 (22)
jossa llto lämmönvaihtimen pituus [m]
lrivi putkirivin pituus [m]
hkanava savukaasukanavan korkeus [m]
-
39
Detäisyys kieppien etäisyys toisistaan [m]
𝑙𝑙𝑡𝑜 =37,62 𝑚
0,44 𝑚· 0,04826 𝑚
𝑙𝑙𝑡𝑜 = 8,25 𝑚
6.10 Energiansäästö
Vuonna 2016 Parikan kappelin lämmittämiseen käytettiin 37 920 litraa kevyttä
polttoöljyä. Kun otetaan huomioon öljykattilan hyötysuhde n. 95 %, kappelin
lämmittämiseen käytettiin 361 MWh energiaa. Käyttämällä Ilmatieteenlaitok-
sen sivuilta löytyvää pdf-tiedostoa “Ulkoilman lämpötilojen esiintymistiheys
nykyilmastossa (TRY2012) pysyvyysarvoina vyöhykkeillä I-II (Vantaa), voi-
daan laskea tarvittava lämmitysteho suhteessa ulkolämpötilaan. Tästä pdf-
tiedostosta löytyy tuntijakauma vuoden aikana esiintyvistä lämpötiloista.
Lämmitysenergian kulutus Parikan kappelissa eri ulkolämpötiloille on laskettu
liitteen 2 taulukossa.
Selite liitteen 2 soluille:
Q [MWh]
Kokonaisvuosienergiakulutus tietyllä ulkoilman lämpötilalla
P [kW]
Lämmityksen vaatima teho tietyllä ulkoilman lämpötilalla
Ulkoilma [°C]
Ulkoilman lämpötila
Lämpötilan pysyvyys
Lämpötilan kumulatiivinen pysyvyysarvo eli kuinka ison osan vuodesta on ollut
yhtä lämmintä tai kylmää.
Δ Lämpötilan pysyvyys
Muutos, joka on tapahtunut verrattuna edelliseen kumulatiiviseen pysyvyysar-
voon. Muutosarvolla saadaan laskettua kuinka ison osan vuodesta on ollut
tiettyä lämpötilaa.
h/ha
-
40
Lämmönpysyvyys tunteina, eli kuinka monta tuntia vuodesta on ollut tiettyä
lämpötilaa.
Jäännösteho
Vaaditun lämmitystehon ylittävä osuus.
Tuhkausuunien käyttö tuottaa huomattavia määriä ylimääräistä energiaa.
Lämpöenergian talteenotto ja uudelleen käyttäminen rakennuksen lämmityk-
seen on sinänsä melko suoraviivaista ja yksinkertaista. Kaksi suurinta ongel-
maa Kymen krematorion tapauksessa ovat: 1. tuhkausuuni toimii vain osan
päivästä ja 2. mitä tehdä ylimääräiselle energialle. Täytyy muistaa, että läm-
möntalteenoton perimmäinen tarkoitus Kymen krematoriolla on alentaa savu-
kaasujen lämpötilaa. Tästä syystä lämpöenergian päästäminen savukaasujen
mukana taivaalle ei ole mahdollista. Mikäli lämpöenergialle ei ole kulutuskoh-
detta, täytyy lämpöenergia siirtää lauhduttimelle, joka huolehtii lämpöenergian
siirtämisestä ulkoilmaan.
Krematorio toimii vain ajoittain ja todellinen toiminta-aika vaihtelee jopa päivit-
täin. Laskennan kannalta tulee arvioida tuhkausuunien käyttöaste ja se voi-
daan laskea seuraavasti
𝑘𝑘ä𝑦𝑡𝑡ö𝑎𝑠𝑡𝑒 =𝑑𝑡𝑦ö·ℎ𝑘ä𝑦𝑡𝑡ö
8760 ℎ (23)
jossa kkäyttöaste käyttöaste kerroin [-]
dtyö toimintapäivien lukumäärä [kpl]
hkäyttö tuhkausuunin käyttöaika päivässä [h/d]
𝑘𝑘ä𝑦𝑡𝑡ö𝑎𝑠𝑡𝑒 =250 𝑑 · 8 ℎ/𝑑
8760 ℎ
𝑘𝑘ä𝑦𝑡𝑡ö𝑎𝑠𝑡𝑒 = 0,2283
Lämpöenergian siirtäminen ulkoilmaan lauhduttimella kuluttaa sähköenergiaa,
eikä ole järin ympäristöystävällistä. Mikäli energiaa ei varastoida ja savukaa-
sujen lämpöenergiasta käytetään hyväksi vain se mitä kappelin lämmitys ku-
luttaa, voidaan energiamäärä laskea seuraavasti
-
41
𝑄𝑒𝑖,𝑣𝑎𝑟𝑎𝑠𝑡𝑜 = 𝑄𝑘𝑜𝑘𝑜,𝑎 · 𝑘𝑘ä𝑦𝑡𝑡ö𝑎𝑠𝑡𝑒 (24)
jossa Qei,varasto säästetty lämpöenergiapotentiaali ilman
varastointia [MWh]
Qkoko,a kokonaisvuosienergiankulutus [MWh]
kkäyttöaste käyttöastekerroin [-]
𝑄𝑒𝑖,𝑣𝑎𝑟𝑎𝑠𝑡𝑜 = 333,89 𝑀𝑊ℎ · 0,2283
𝑄𝑒𝑖,𝑣𝑎𝑟𝑎𝑠𝑡𝑜 = 76,23 𝑀𝑊ℎ
Yksinkertaisin tapa varastoida lämpöenergiaa on käyttää isoa vesisäiliötä. Ve-
sisäiliön vettä lämmitetään savukaasuista kerätyllä lämpöenergialla ja vastaa-
vasti vesisäiliön vettä käytetään lämmönkulutuskohteissa kuten pattereissa.
Käytän esimerkkinä kolmea eri säiliökokoa, 50 m3, 100 m3 ja 150 m3. Voidak-
seen laskea säiliössä käytettävissä oleva lämpötila, ensin valitaan käytettävä
lämpötilaero. Patteriverkoissa virtaavan veden menolämpötila on 60 °C. Vesi-
säiliöllä, joka on valmistettu muovista, on valmistajan antama maksimikäyttö-
lämpötila 100 °C. Minimoidaksemme riskit ja maksimoidaksemme varausky-
vyn asetamme oman maksimilämpötilan vesisäiliölle 95 °C:seen.
Koska tarkoituksena on käyttää varastoitua lämpöenergiaa kappelin lämmit-
tämiseen, on yksinkertaisinta syöttää kuumaa vettä vesisäiliöstä sekoittimen
kautta patteriverkkoon, niin kauan kunnes vesisäiliön lämpötila saavuttaa 60
°C. Kun vesisäiliön lämpötila on alle 60 °C, vesisäiliöstä ei enää syötetä läm-
pöä patteriverkkoon. Teoriassa vesisäiliön vettä olisi mahdollista käyttää tä-
män jälkeen esilämmittämään vettä, joka palaa patteriverkosta öljykattilalle.
Tosin ainakin joissakin kattilamalleissa kattilaveden lämpötila on jo itsessään
65–75 °C.
Koska vesisäiliön lämpötilan tulee olla 60 °C ja 95 °C välillä, saamme lämpö-
energia varaston ΔT arvoksi 35 °C. Lämpöenergiavaraston lämpöenergiaka-
pasiteetti voidaan tällöin laskea kaavalla
𝑄𝑠ä𝑖𝑙𝑖ö =𝑉𝑠ä𝑖𝑙𝑖ö·𝑐𝑝,𝑣𝑒𝑠𝑖·𝜌𝑣𝑒𝑠𝑖,95°𝐶·𝛥𝑇𝑠ä𝑖𝑙𝑖ö
3600 𝑠 (25)
-
42
jossa Qsäiliö säiliön potentiaalinen energiamäärä [kWh]
Vsäiliö säiliön tilavuus [m3]
cp,vesi veden ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg°C]
ΔTsäiliö säiliön lämpötilan muutos [°C]
Taulukossa 3 on laskettu eri säiliöiden hyödynnettävissä oleva lämpöener-
giamäärä käyttämällä yllä olevaa kaavaa. Taulukon arvot on muunnettu MWh.
Taulukko 3 Eri säiliöiden hyödynnettävissä oleva lämpöenergiamäärä
Säiliön koko Lämpöenergian määrä
50 19,66 MWh
100 39,32 MWh
150 58,98 MWh
Varastoitavissa olevan energian laskemista varten tarvitsee ensin laskea
jäännösenergia kaavalla
𝑄𝑗ää𝑛𝑛ö𝑠 =ℎ𝑘ä𝑦𝑡𝑡ö·𝑃𝑗ää𝑛𝑛ö𝑠·𝑘𝑘ä𝑦𝑡𝑡ö𝑎𝑠𝑡𝑒
1000 (26)
jossa Qjäännös jäännösenergia [MWh]
hlämpö lämmönpysyvyys tunteina [h]
Pjäännös veden ominaislämpökapasiteetti [kW]
kkäyttöaste käyttöaste kerroin [-]
Laskujen tulokset eri lämpötiloille ja säiliöille on nähtävissä liitteessä 3. Taulu-
kossa jokaisessa lämpöenergian tulossolussa on “jos-ehto”, jonka tarkoituk-
sena on rajoittaa tulos säiliön maksimienergiatasoon. Potentiaalinen varastoi-
tavissa oleva energia saadaan laskemalla yhteen kaikkien lämpötilojen jään-
nösenergiamäärät.
Taulukossa 4 on summattuna kolmen eri säiliön jäännösenergiamäärät. Saa-
dut arvot ovat vuoden ajanjaksolla potentiaalisesti varastoitavissa oleva ener-
giamäärä.
-
43
Taulukko 4 Jäännösenergiamäärät summattuna
Säiliön koko Varastoitavissa oleva energia
50 73,35 MWh
100 131,27 MWh
150 184,79 MWh
Säästöpotentiaali lämmityskustannuksissa silloin kun öljyn hinta on 100
€/MWh
𝑆ää𝑠𝑡ö = (𝑄𝑘𝑜𝑘,𝑗ää𝑛𝑛ö𝑠 + 𝑄𝑒𝑖,𝑣𝑎𝑟𝑎𝑠𝑡𝑜) · Öℎ𝑖𝑛𝑡𝑎 (27)
jossa Säästö potentiaalinen säästö [€/a]
Qkok, jäännös kokonaisjäännösenergia [MWh]
Qei,varasto säästetty lämpöenergiapotentiaali ilman
varastointia [MWh]
Öhinta öljyn hinta [€/MWh]
Taulukossa 5 on laskettuna vuosittainen potentiaalinen säästö 50 m3, 100 m3
ja 150 m3 säiliöille. Hinnassa (€/a) ja öljyn määrässä on huomioitu öljykattilan
95 % hyötysuhde.
Taulukko 5 Erikokoisten säiliöiden potentiaalinen säästö
7 TULOSTEN TARKASTELU
Lämmöntalteenottolaitteiston lämpöenergian vaatima pinta-ala on 22,81 m2,
silloin kun savukaasuista saatava teho on 209 kW. Koska savukaasukanava
on kooltaan vain 0,44 m x 0,44 m, koko lämmönsiirrinlaitteiston kooksi tulee
8,25 m. Tämä on laitteiston mahtumisen kannalta ongelmallista sillä piirustus-
ten mukaan (kuva 20), savukaasukanavaan mahtuu vain n. 2,4 m pitkä lait-
teisto. Koska savukaasukanava on purettava laitteistoa asennettaessa, olisi
perusteltua kasvattaa samalla savukaasukanavan kokoa. Mikäli savukaasu-
kanava olisi kooltaan 0,65 m x 0,65 m, lämmönsiirtimen kokonaispituudeksi
tulisi 2,23 m. Tämä olisi hyvin kustannustehokas ratkaisu, mikäli savukaasu-
Säiliön koko Euroina [€/a] Lämpöenergia [MWh] Litraa öljyä [l/a)
50 15 714,07 149,58 15 714,07
100 21 798,87 207,50 21 798,87
150 27 421,33 261,02 27 421,33
-
44
kanava haluttaisiin asentaa kohtaan, jossa savukaasukanava kulkee tällä het-
kellä. Toisena vaihtoehtona olisi asentaa monimutkaisempi lämmönvaihdin,
kuten levylämmönvaihdin. Levylämmönvaihtimen etuna olisi huomattavasti
suurempi lämmönsiirtopinta-ala suhteessa kokoonsa. Tosin levylämmönvaih-
timen puhdistaminen tuhkasta, nykyisessä savukaasukanavassa, saattaisi olla
miltei mahdotonta.
Savukaasujen puhdistuslaitteiston vaatima tila on huomattava, eikä laitteistoa
nykyisiin tiloihin ole mahdollista mahduttaa. Laitteistoa varten tulee todennä-
köisesti rakennuttaa erillinen tekninen tila, savukaasukanava ja savupiippu.
Tontilla on kyllä tilaa rakennuttaa krematoriorakennukseen jatkoa/lisäsiipi.
Mutta lisärakentaminen kohottaa investointikustannuksia huomattavasti.
Potentiaalinen säästö lämmityskustannuksissa on merkittävä, mikä on lämpö-
energiasäiliön koosta riippuen 45–78 % (150–261 MWh) vuosittaisesta lämmi-
tysenergian tarpeesta. Todellisuudessa tähän ei päästä sillä tuhkausuunin
savukaasuista on saatavissa huomattavasti enemmän energiaa, kuin pysty-
tään kappelissa käyttämään. Lämpöenergiavaraston ollessa täynnä joudutaan
ylimääräinen lämpöenergia johtamaan lauhduttimelle. Yhtenä vaihtoehto olisi
jättää lämpöenergian varastointi kokonaan pois. Tässä tapauksessa ylijäämä-
lämpöä käytettäisiin vain silloin kun krematorio on käynnissä. Krematorion
savukaasuista kerättävä lämpöenergia riittää kattamaan Parikan kappelin
lämmitystarpeen ollessaan toiminnassa. Ylimääräinen energia siirrettäisiin
silloin lauhduttimelle. Potentiaalinen energiansäästö olisi tällöin 76 MWh vuo-
dessa, mikä vastaa n. 22 % vuoden lämmitystarpeesta.
Mikäli kappeli sijaitsisi kaukolämpöverkon alueella, voitaisiin ylimääräinen
lämpöenergia syöttää kaukolämpöverkkoon. Tämä ratkaisu on käytössä muu-
tamassa muussa krematoriossa ja on ratkaisuna energiatehokas. Valitettavas-
ti krematorio ei sijaitse kaukolämpöverkon alueella, eikä Kotkan energialle ole
suunnitelmia laajentaa alueelle lähitulevaisuudessa.
-
45
8 YHTEENVETO
Opinnäytetyön tavoitteena oli mitoittaa ja suunnitella lämmöntalteenotto Ky-
men krematorioon. Opinnäytetyön tuloksena saatiin laskennallisesti mitoitettua
lämmön talteenottolaitteiston mitat sekä teho. Laskettuja potentiaalisia energi-
ansäästöjä voidaan käyttää arvioidessa laitteiston asennuksen takaisinmak-
suaikoja. Opinnäytetyön laskennassa päädyttiin käyttämään yksinkertaista
putkilämmönvaihdinta, sillä savukaasukanavan ollessa ahdas, monimutkaisen
lämmönsiirtimen nuohoaminen olisi hyvin vaikeaa, ellei mahdotonta.
Opinnäytetyön päätavoitteena oli suunnitella lämpöenergian talteenottolaitteis-
to, jonka avulla tuhkausuunin savukaasujen lämpötilaa saataisiin madallettua
savukaasujen puhdistusta varten. Savukaasujen mukana ympäristöön päätyy
huomattavia määriä ympäristölle vaarallisia aineita, kuten elohopeaa. Seura-
kuntien halu suodattaa savukaasuja, sekä tulevaisuudessa tiukentuvien ympä-
ristösäädösten seurauksena, krematorioiden tulee investoida opinnäytetyössä
esitellyn lämmönsiirtimen tapaisiin laitteistoihin. Savukaasujen lämpöenergian
hyödyntäminen tuo myös säästöjä lämpöenergiakustannuksiin ja vähentää
siten myös Parikan kappelin hiilijalanjälkeä.
Vaikkakin työn tulos osoitti että putkimallinen lämmönsiirrin ei mahdu siihen
osaan savukaasukanavaa, kuin oli alun perin suunniteltu, voidaan työn tulok-
sia kuitenkin pitää hyödyllisinä. Opinnäytetyön tulosten avulla Kotka-Kymin
seurakunnan on mahdollista tarkastella ja suunnitella krematorioinvestointia
realistisesti. Tulosten avulla on mahdollista paremmin kartoittaa tarpeita ja
tarkistaa odotuksia laitteiston mahdollisesta toiminnasta.
Koska opinnäytetyön aikana ei saatu savukaasujen lämpötilaa varmuudella
todennettua, on suositeltavaa suorittaa lisämittauksia ennen jatkotoimenpitei-
tä. Opinnäytetyön laskentaan toivat omaa epävarmuutta myös vaihtelevat pa-
rametrit. Koska jokainen tuhkaus on uniikkitapahtuma, oli laskentaa suoritetta-
va keskiarvopohjalta. Savukaasujen vaihtelevan tehon takia lämmönvaihdin
tulisi mitoittaa vieläkin opinnäytetyön laskelmissa esitettyä tehokkaammaksi,
jotta voitaisiin varmistua siitä että savukaasujen loppulämpötila saadaan sa-
vukaasujen puhdistuksella tarpeeksi alhaiseksi.
-
46
LÄHTEET
Alakangas, E., Hurskainen, M., Laatikainen-Luntama, J. & Korhonen, J. 2016.
Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. WWW-dokumentti.
Saatavissa: https://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/T258.pdf [viitattu
1.6.2018].
Fagerholm, N. 1986. Termodynamiikka. 1994 painos. Otatieto Oy.
Ilmatieteenlaitos s.a. Ulkoilman lämpötilojen esiintymistiheys nykyilmastossa
(TRY2012) pysyvyysarvoina vyöhykkeillä I-II (Vantaa). WWW-dokumentti.
Saatavissa:
http://ilmatieteenlaitos.fi/c/document_library/get_file?uuid=aa04206f-1c99-
4e62-a44d-fec3d25a3118&groupId=30106 [viitattu 1.6.2018].
Malinen, E. 2018. Krematorionhoitaja. Haastattelu maaliskuu 2018. Kotka:
Kymen krematorio.
Mäkilä, T. 2018. Tmi Energianhallinta, Omistaja. Sähköpostihaastattelu maa-
liskuu 2018.
Ollila, J. 2018. Hautaustoimen päällikkö. Haastattelu 5.4.2018. Espoo: Espoon
kappeli.
Seppänen, R., Tiihonen, S., Wuolijoki, H., Kervinen, M., Smolander, J., Haa-
visto, A., Karkela, L. & Varho, K. 2000. MAOL-taulukot. 1.-2. uudistettu painos.
Keuruu: Otavankirjapaino Oy.
Valtanen, E. 2012. Tekniikan taulukkokirja. 19.painos. Mikkeli: St Michel Print
Oy.
VDI Heat Atlas. 1993. Painos 2010. Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH.
Wagner, W. 1994. Lämmönsiirto. Helsinki: Painatuskeskus Oy.
https://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/T258.pdfhttp://ilmatieteenlaitos.fi/c/document_library/get_file?uuid=aa04206f-1c99-4e62-a44d-fec3d25a3118&groupId=30106http://ilmatieteenlaitos.fi/c/document_library/get_file?uuid=aa04206f-1c99-4e62-a44d-fec3d25a3118&groupId=30106
-
47
KUVALUETTELO
Kuva 1. Parikan kappeli. WWW-dokumentti. Saatavissa: https://www.kotka-
kyminseurakunta.fi/5761-parikan-siunauskappeli [viitattu 1.6.2018].
Kuva 2. Espoon siunauskappeli. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://www.espoonseurakunnat.fi/kirkot-ja-tilat/kappelit/espoon-siunauskappeli
[viitattu 1.6.2018].
Kuva 3. Kuva Espoon krematorion lämmöntalteenoton ohjausnäkymästä.
Heikkilä, L. 5.4.2018.
Kuva 4. Espoon siunauskappelin krematorion lämmön talteenottojärjestelmän
havainnointi kuva. Heikkilä, L. 5.4.2018.
Kuva 5. Pyhän Ristin kappeli. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://www.turunseurakunnat.fi/kirkot-ja-kappelit/pyhan-ristin-kappeli
[viitattu 1.6.2018].
Kuva 6. Lämmöntalteenottolaitteiston virtauskaavio. Heikkilä, L. 3.6.2018.
Kuva 7. Espoon krematorion lämmönvaihdin. Heikkilä, L. 5.4.2018.
Kuva 8. Lämmön talteenottolaitteen toiminta kuvana. Heikkilä, L. 30.5.2018.
Kuva 9. Lämmönvaihtimen piirrosmerkki. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://www.draw.io [viitattu 15.4.2018].
Kuva 10. Esimerkkikuva sekoitusventtiilistä. WWW-dokumentti. Saatavissa:
https://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_1200,h_1200,c_limit/cl
oud/k/oras/sekoitusventtiili_oras_4210_57c.jpg [viitattu 15.4.2018].
Kuva 11. Sekoitusventtiilin piirrosmerkki. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://www.draw.io [viitattu 15.4.2018].
https://www.kotka-kyminseurakunta.fi/5761-parikan-siunauskappelihttps://www.kotka-kyminseurakunta.fi/5761-parikan-siunauskappelihttp://www.espoonseurakunnat.fi/kirkot-ja-tilat/kappelit/espoon-siunauskappelihttp://www.turunseurakunnat.fi/kirkot-ja-kappelit/pyhan-ristin-kappelihttp://www.draw.io/https://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_1200,h_1200,c_limit/cloud/k/oras/sekoitusventtiili_oras_4210_57c.jpghttps://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_1200,h_1200,c_limit/cloud/k/oras/sekoitusventtiili_oras_4210_57c.jpghttp://www.draw.io/
-
48
Kuva 12. Esimerkkikuva lämmönsäätimestä. WWW-dokumentti. Saatavissa:
https://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_400,h_650,c_limit/clou
d/k/vexve/lammonsaadin_vexve_am10_automix.jpg [viitattu 15.4.2018].
Kuva 13. Esimerkkikuva kiertovesipumpusta. WWW-dokumentti. Saatavissa:
https://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_1200,h_1200,c_limit/cl
oud/k/grundfos/kiertovesipumppu_alpha_1.jpg [viitattu 15.4.2018].
Kuva 14. Parikan kappelin öljykattila. Heikkilä, L. 16.3.2018.
Kuva 15. Kappelin lämmitykseen käytettävän öljykattilan ja krematorion piir-
rosmerkki. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.draw.io [viitattu
15.4.2018].
Kuva 16. Lauhduttimen piirrosmerkki. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://www.draw.io [viitattu 15.4.2018].
Kuva 17. Patteriverkon piirrosmerkki. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://www.draw.io [viitattu 15.4.2018].
Kuva 18. Vesisäiliön piirrosmerkki. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://www.draw.io [viitattu 15.4.2018].
Kuva 19. Krematorio ulkopuolelta. WWW-dokumentti. Saatavissa: https://www.google.com/maps [viitattu 15.4.2018].
Kuva 20. Savukaasukanavan (vihreä), sekä savupiipun sijainti (punainen).
Törrönen, K. toukokuu.2018.
Kuva 21. Havainnekuva savukaasukanavasta. Heikkilä, L. 20.4.2018.
Kuva 22. Krematorion hallintajärjestlmän loki. Heikkilä, L. 4.7.2017.
Kuva 23. Lämpötilan muutokset lämmönvaihtimessa. Heikkilä, L. 1.4.2018.
Kuva 24. 26 Havainnekuva lämmönsiirtimen putkista. (Edestä katsottuna). Heikkilä, L. 15.4.2018.
https://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_400,h_650,c_limit/cloud/k/vexve/lammonsaadin_vexve_am10_automix.jpghttps://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_400,h_650,c_limit/cloud/k/vexve/lammonsaadin_vexve_am10_automix.jpghttps://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_1200,h_1200,c_limit/cloud/k/grundfos/kiertovesipumppu_alpha_1.jpghttps://media.taloon.com/image/upload/q_70,f_auto,w_1200,h_1200,c_limit/cloud/k/grundfos/kiertovesipumppu_alpha_1.jpghttp://www.draw.io/http://www.draw.io/http://www.draw.io/http://www.draw.io/https://www.google.com/maps
-
49
Kuva 25. Havainnekuva lämmönsiirtimen putkista savukaasukanavassa. (si-
vulta). Heikkilä, L. 2.6.2018.
-
50
Liite 1
-
51
liite 2
Q[MWh] P [kW] Ulkoilma [°C] Lämpötilan pysyvyys Δ Lämpötilan pysyvyys h/ha [h] Jäännösteho [kW]
0,71 100,90 -21,0 0,0008 0,0008 7,01 108,17
1,90 98,50 -20,0 0,0030 0,0022 19,27 110,57
2,19 96,10 -19,0 0,0056 0,0026 22,78 112,97
1,97 93,69 -18,0 0,0080 0,0024 21,02 115,37
2,72 91,29 -17,0 0,0114 0,0034 29,78 117,78
4,91 88,89 -16,0 0,0177 0,0063 55,19 120,18
7,20 86,49 -15,0 0,0272 0,0095 83,22 122,58
5,30 84,08 -14,0 0,0344 0,0072 63,07 124,98
5,87 81,68 -13,0 0,0426 0,0082 71,83 127,39
4,10 79,28 -12,0 0,0485 0,0059 51,68 129,79
3,77 76,88 -11,0 0,0541 0,0056 49,06 132,19
3,65 74,47 -10,0 0,0597 0,0056 49,06 134,59
5,49 72,07 -9,0 0,0684 0,0087 76,21 137,00
8,67 69,67 -8,0 0,0826 0,0142 124,39 139,40
9,84 67,27 -7,0 0,0993 0,0167 146,29 141,80
10,97 64,86 -6,0 0,1186 0,0193 169,07 144,20
10,89 62,46 -5,0 0,1385 0,0199 174,32 146,60
11,57 60,06 -4,0 0,1605 0,0220 192,72 149,01
12,32 57,66 -3,0 0,1849 0,0244 213,74 151,41
13,07 55,25 -2,0 0,2119 0,0270 236,52 153,81
15,93 52,85 -1,0 0,2463 0,0344 301,34 156,21
26,16 50,45 0,0 0,3055 0,0592 518,59 158,62
23,74 48,05 1,0 0,3619 0,0564 494,06 161,02
20,99 45,65 2,0 0,4144 0,0525 459,90 163,42
15,30 43,24 3,0 0,4548 0,0404 353,90 165,82
11,45 40,84 4,0 0,4868 0,0320 280,32 168,23
11,58 38,44 5,0 0,5212 0,0344 301,34 170,63
10,04 36,04 6,0 0,5530 0,0318 278,57 173,03
10,08 33,63 7,0 0,5872 0,0342 299,59 175,43
8,75 31,23 8,0 0,6192 0,0320 280,32 177,84
8,21 28,83 9,0 0,6517 0,0325 284,70 180,24
7,66 26,43 10,0 0,6848 0,0331 289,96 182,64
7,05 24,02 11,0 0,7183 0,0335 293,46 185,04
6,33 21,62 12,0 0,7517 0,0334 292,58 187,45
6,20 19,22 13,0 0,7885 0,0368 322,37 189,85
4,99 16,82 14,0 0,8224 0,0339 296,96 192,25
4,19 14,41 15,0 0,8556 0,0332 290,83 194,65
3,71 12,01 16,0 0,8909 0,0353 309,23 197,05
2,01 9,61 17,0 0,9148 0,0239 209,36 199,46
1,30 7,21 18,0 0,9354 0,0206 180,46 201,86
0,77 4,80 19,0 0,9537 0,0183 160,31 204,26
0,34 2,40 20,0 0,9699 0,0162 141,91 206,66
-
52
Liite 3
Ulkoilma [°C]
Jäännösteho [kW]
Jäännösenergia 50m3 [MWh]
Jäännösenergia 100m3 [MWh]
Jäännösenergia 150m3 [MWh]
-21,0 108,17 0,173 0,173 0,173
-20,0 110,57 0,487 0,487 0,487
-19,0 112,97 0,587 0,587 0,587
-18,0 115,37 0,554 0,554 0,554
-17,0 117,78 0,801 0,801 0,801
-16,0 120,18 1,514 1,514 1,514
-15,0 122,58 1,966 2,329 2,329
-14,0 124,98 1,800 1,800 1,800
-13,0 127,39 1,966 2,089 2,089
-12,0 129,79 1,531 1,531 1,531
-11,0 132,19 1,481 1,481 1,481
-10,0 134,59 1,507 1,507 1,507
-9,0 137,00 1,966 2,384 2,384
-8,0 139,40 1,966 3,932 3,959
-7,0 141,80 1,966 3,932 4,736
-6,0 144,20 1,966 3,932 5,566
-5,0 146,60 1,966 3,932 5,835
-4,0 149,01 1,966 3,932 5,898
-3,0 151,41 1,966 3,932 5,898
-2,0 153,81 1,966 3,932 5,898
-1,0 156,21 1,966 3,932 5,898
0,0 158,62 1,966 3,932 5,898
1,0 161,02 1,966 3,932 5,898
2,0 163,42 1,966 3,932 5,898
3,0 165,82 1,966 3,932 5,898
4,0 168,23 1,966 3,932 5,898
5,0 170,63 1,966 3,932 5,898
6,0 173,03 1,966 3,932 5,898
7,0 175,43 1,966 3,932 5,898
8,0 177,84 1,966 3,932 5,898
9,0 180,24 1,966 3,932 5,898
10,0 182,64 1,966 3,932 5,898
11,0 185,04 1,966 3,932 5,898
12,0 187,45 1,966 3,932 5,898
13,0 189,85 1,966 3,932 5,898
14,0 192,25 1,966 3,932 5,898
15,0 194,65 1,966 3,932 5,898
16,0 197,05 1,966 3,932 5,898
17,0 199,46 1,966 3,932 5,898
18,0 201,86 1,966 3,932 5,898
19,0 204,26 1,966 3,932 5,898
20,0 206,66 1,966 3,932 5,898
Yhteensä [MWh] 73,35 131,27 184,79